Termodynamik
FL1
Grundläggande begrepp
Energi
– Energi
– Energi kan lagras
– Energi kan omvandlas
från en form till en annan.
– Energiprincipen (1:a huvudsatsen).
– Enheter för energi: J, eV, kWh
1 J = 1 N·m
1 cal = 4.1868 J
SYSTEM
•
•
System kan vara slutna eller öppna.
Systemets yta (gränssnitt) kan vara
fix eller rörlig.
Definiera systemet genom att välja en lämplig gränsyta.
1
Slutna och öppna system
•
•
•
Slutna system (Control mass):
•
Massa konstant.
•
Ingen materia kan ta sig ut eller in.
•
Energiutbyte mellan system och
omgivning.
Öppna system (Control volume):
•
Volym konstant.
•
Materia- (massa) och energiutbyte
mellan systemet och omgivningen.
Systemets gränsyta (Control surface):
•
Systemets gräns kan vara verklig
eller imaginär.
Exempel på öppna system
Anläggningar som innebär massflöde,
som till exempel kompressorer, turbiner,
eller munstycken.
Stationärt flöde
(Steady-flow)
•
Stationär betyder ingen ändring med tiden.
•
Motsatsen till stationär är transient.
•
Stationärt-flödesprocess: en process där
en fluid flödar stationärt genom ett öppet
system.
•
Stationärt flöde (steady-flow devices).
2
EGENSKAPER hos ett SYSTEM
•
•
Egenskap (Property). Kallas också för tillståndsfunktioner.
Intensiva egenskaper och extensiva egenskaper.
Kriterium för att urskilja
intensiva och extensiva
egenskaper.
•
Specifika egenskaper: egenskap per massaenhet.
TILLSTÅND och JÄMVIKT
•Ett tillstånd hos ett system är en uppsättning egenskaper
(tillståndsfunktioner) som beskriver systemet fullständigt.
Exempel
• Termisk jämvikt
• Mekanisk jämvikt
• Fasjämvikt
• Kemisk jämvikt
Ett slutet system som uppnår termisk jämvikt.
Tillståndspostulatet
• För ett enkelt komprimerbart system specificeras
systemets tillstånd fullständigt genom TVÅ
oberoende intensiva tillståndsfunktioner.
Till exempel: P,T eller P,v
“The state of a simple compressible system is
completely specified by two independent,
intensive properties.”
•
Ett enkelt komprimerbart system är ett system där elektriska,
magnetiska, gravitations-, rörelse-, och ytspänningseffekter är
försumbara.
Sambandet mellan tillståndsfunktionerna F(p,V,T)=0
Kallas för tillståndsekvationen.
3
PROCESSER
•
Process: En förändring som ett system genomgår
från ett till ett annat jämviktstillstånd.
Processdiagram:
Väg (Path): Serien olika tillstånd som systemet går igenom under en process.
Kvasi-jämviktsprocess
PROCESSDIAGRAM
Exempel: P-V diagram för en kompressionsprocess.
4
iso-…
– Isotermisk process: En process vid konstant temperatur T.
– Isobarisk process: En process vid konstant tryck P .
– Isokorisk (eller isometrisk) process: En process vid konstant
specifik volym v.
TEMPERATUR
• Termodynamikens 0:te huvudsats:
“Om två system är i termisk jämvikt med ett
tredje system, då är de också i termisk
jämvikt med varandra.”
•
Ersätt tredje systemet med en termometer.
Termodynamikens 0:te lag kan då formuleras om:
“Två system är i termisk jämvikt om båda har
samma temperatur.”
(Det gäller även om de inte är i kontakt med varandra).
Temperaturskalor
• Celsius-skala (ºC)
• Kelvin-skala (K)
en termodynamisk temperaturskala
dvs oberoende av ett ämnes egenskaper.
• Ideal gas temperaturskalan
Temperaturerna bestäms med en konstant
volym gastermometer.
P vs T diagram med experimentella data från en
konstant-volym gastermometer för 4 olika gaser.
5
TRYCK
Tryck: En normalkraft per ytenhet.
Tryck i en punkt:
•
•
•
Absolut tryck, P eller Pabs
Övertryck, Pgage (gage pressure)
Undertryck, Pvac (vacuum pressure)
P > Patm:
P < Patm:
Tryck i en fluid
Trycket i en fluid ökar med djupet.
I gaser: försumbar effekt
Vid konstant densitet:
Om densiteten varierar med djupet:
Trycket i en vätska ökar
linjärt med avståndet från
ytan, h.
Tryck i en fluid
Trycket är samma vid alla punkter som befinner sig vid samma
höjd (horisontalplan) i en given fluid och som står i förbindelse
med varandra genom samma fluid.
6
Manometer
Multilager av olika vätskor:
BAROMETER och ATMOSFÄRSTRYCK
•
En standard atmosfär, är definierad som trycket producerat av en 760 mm hög kolumn
med kvicksilver vid 0°C ( ρHg = 13,6 kg/m 3) under standard gravitation (g = 9.807 m/s2).
7
Hur lyfter man bilen med en hydraulisk jack?
ENERGIFORMER
•
Totala energin, E, hos ett system.
•
Termodynamiken behandlar endast ändringar i totala energin, ∆E, hos
ett system.
•
Makroskopiska energiformer
•
Mikroskopiska energiformer
•
Inre energi, U, är summan av alla mikroskopiska energiformer.
•
För slutna system med konstant hastighet och position (höjd), dvs.
stationära system, är ∆E = ∆U.
Totala energi per massaenhet
(specifika totala energi)
Rörelseenergi
Rörelseenergi per massaenhet
Lägesenergi
Lägesenergi per massaenhet
Systemets
totala energi
Systemets totala
energi per massaenhet
8
Inre energi, U
Molekylernas rörelseenergi
(“Sensible” energy)
Latent energi: energin
associerad med systemets
aggregationstillstånd (fas).
Kemisk energi: energin i
bindningarna i en molekyl.
Kärnenergi: energin i de starka
bindningarna i atomkärnan.
Molekylernas
rörelseenergi
Termisk = Sensible + Latent
Inre = Termisk + Kemisk + Kärnenergi
Rörelseenergi
Den makroskopiska rörelseenergin är en organiserad form av energi
och är användbar på ett annat sätt än den mikroskopiska
rörelseenergin hos molekylerna.
Statiska och dynamiska energiformer
(energi-interaktioner)
• Statiska energiformer är lagrade i systemet.
• Dynamiska energiformer eller energiinteraktioner är
inte lagrade i systemet. De går igenom systemet gränsyta.
De är den energin som systemet vinner eller förlorar under
en process.
9
